比特币挖矿是通过算力竞争验证交易并维护比特币网络安全的去中心化过程。作为区块链技术中的核心部分，挖矿不仅实现了工作量证明（PoW）共识机制，还确保了交易的不可篡改性与总量的固定性（2100万枚）。矿工使用专用硬件（如ASIC矿机）解决复杂的数学问题（哈希运算），争夺生成新区块的权利，并因此获得比特币的奖励（区块奖励与交易手续费）。这一过程不仅是比特币发行的唯一途径，也是确保区块链账本一致性和安全性的核心机制。
比特币挖矿的核心过程
1. 交易验证与区块打包
在比特币网络中，用户发起的交易（例如，A向B转账1 BTC）会被广播至整个网络节点，进入“待确认交易池”。矿工的首要任务是从交易池中筛选并验证交易，主要步骤包括：
- 检查交易签名的有效性。
- 确认发送方账户余额是否充足，以防止“双花攻击”（即同一笔钱重复花费）。
通常，矿工会优先选择手续费较高的交易进行打包，以提升自身收益。经过验证的多笔交易会被整合为一个“候选区块”，区块中还包含前一区块的哈希值，以保持区块链的连续性，以及时间戳和随机数（Nonce）等元数据。
2. 哈希计算与解题竞争
候选区块生成后，矿工需要对区块头（包含交易数据、时间戳、Nonce等信息）执行SHA-256双哈希运算。目标是找到一个低于网络当前难度阈值的哈希值。哈希运算具有“单向性”和“随机性”：输入的微小变化会产生完全不同的输出，而且无法通过哈希值反推得到输入。矿工通过不断调整Nonce值（随机数）重复计算，直到生成符合条件的哈希值，通常以多个前导零表示（例如：“00000000000000000005a3b...”）。这一过程完全依赖于强大的算力执行。
3. 难度调整机制
为维持平均10分钟生成一个新区块的节奏，比特币网络每2016个区块（约2周）会动态调整计算难度。难度调整的公式基于前2016个区块的实际生成时间：若实际用时短于2周（算力上升），则难度将上调；相反，则下调。到2025年，全球总算力已超过500 EH/s（1 EH/s=10^18哈希/秒），对应的挖矿难度约为5×10^30，意味着矿工平均需要尝试数万亿次计算才能找到有效的Nonce。
4. 区块确认与奖励发放
当某个矿工率先找到有效哈希值时，会立即将新区块广播至全网节点。其他节点会通过验证哈希值是否符合难度要求、交易是否合法来确认区块的有效性。一旦全网超过51%的算力认可该区块，它将被永久写入区块链，成为账本的一部分。此时，成功出块的矿工将获得奖励：到2025年，区块奖励为3.125 BTC（预计2024年进行第四次减半），外加区块内所有交易的手续费（约0.5 BTC/区块）。奖励会直接转入矿工的比特币地址，完成一次挖矿周期。
比特币挖矿的关键特性与现状
1. 经济模型与能源消耗
比特币挖矿遵循严格的“通缩模型”，总量2100万枚币，预计到2140年将全部发行，当前流通量约为1970万枚。到2025年，单枚比特币的挖矿成本约为27,000美元（依电价浮动），而年耗电量达到169.7 TWh，超过了波兰全国的用电量。不过，行业正加速进行能源转型，当前清洁能源的使用占比已上升至45%。例如，挪威、冰岛的矿场利用水电和地热供电，部分项目还通过余热回收（如烘干木材、供暖）来提升能源利用效率。
2. 硬件与算力格局
挖矿硬件从早期的CPU、GPU升级至专用的ASIC芯片，预计到2025年主流矿机的算力将突破300 TH/s，能效比降至0.05 J/TH（即每太赫兹算力仅消耗0.05焦耳能量），硬件成本也从2022年的80美元/TH/s降低至16美元/TH/s。目前猜测算力分布呈现集中化趋势，前两大矿池（Foundry USA、Antpool）控制超过50%的算力，然而去中心化的挖矿模式也在逐步发展，其中云挖矿（如租用算力服务商NiceHash）占比达30%，而离网挖矿则通过结合太阳能、风能来减少对传统电网的依赖。
比特币挖矿作为一种技术层面的算力竞争，不仅是比特币经济体系的“中央银行”，还通过复杂的数学规则实现货币的发行与账本的维护。整过程融合了密码学、博弈论和分布式系统设计，保障了比特币网络在无信任环境下的安全与稳定运行。
